Устройство для измерения распределений случайных процессов

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для измерения плотностей распределения вероятностей случайных процессов. Техническим результатом является измерение распределения случайного процесса с заданным качеством за минимальное время за счет контроля качества в процессе измерения распределения случайного процесса и окончания измерения, если критерий качества ниже заданного значения. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор адреса, блок памяти, комбинационный сумматор, блок деления, счетчик числа отсчетов, блок управления, блок контроля качества, блок индикации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Заявляемое устройство относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для измерения плотностей распределения вероятностей случайных процессов.

Известно устройство для анализа распределений случайных процессов (авт. св. СССР №830399, МПК⁶ G 06 F 17/18, 1981 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, комбинационный сумматор и блок управления.

Известно устройство для анализа распределения случайного процесса (авт. св. СССР №1095191, МПК⁶ G 06 F 17/18, 1984 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор адреса, блок памяти, счетчик числа отсчетов, блок деления и сумматор.

Известно устройство для анализа распределений случайных процессов (авт. св. СССР №1164734, МПК⁶ G 06 F 17/18, 1985 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, счетчик числа отсчетов, мультиплексор адреса, блок памяти, блок управления и комбинационный сумматор.

Известен статистический анализатор отклонений напряжения сети (авт. св. СССР №1262524, МПК⁶ G Об F 17/18, 1986 г.) для измерения распределений случайных процессов, содержащий аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор адреса, блок памяти, блок индикации и сумматор.

Известно устройство для текущего контроля и статистического анализа отклонений напряжения (патент РФ №2130199, МПК⁶ G 06 F 17/18, 1999 г.), осуществляющее измерение распределений случайных процессов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор адреса, блок памяти, блок индикации и сумматор.

Недостатком данных устройств является отсутствие контроля за качеством измерения.

Известно принятое в качестве прототипа устройство для анализа распределений случайных процессов (авт. св. СССР №1226487, МПК⁶ G 06 F 17/18, 1986 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с вторым информационным входом мультиплексора адреса, выход которого соединен с адресным входом блока памяти, выход которого соединен с входом комбинационного сумматора, счетчик числа отсчетов, блок управления, первый вход которого является входом “Пуск” устройства, первый выход блока управления подключен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя, блок индикации.

Недостатком прототипа является отсутствие контроля за качеством получаемого распределения случайного процесса и большое время измерения. Для построения распределения используется фиксированное количество отсчетов реализации случайного процесса. Во время работы устройства получаемые результаты не проверяются на соответствие критерию качества.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является измерение распределения случайного процесса с заданным качеством за минимальное время за счет контроля качества в процессе измерения распределения случайного процесса и окончания измерения, если критерий качества ниже заданного значения.

Указанная задача решается благодаря тому, что в устройство, содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с вторым информационным входом мультиплексора адреса, выход которого соединен с адресным входом блока памяти, выход которого соединен с входом комбинационного сумматора, счетчик числа отсчетов, блок управления, первый вход которого является входом “Пуск” устройства, первый выход блока управления подключен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя, блок индикации, в отличие от прототипа, дополнительно введены блок деления, вход делителя которого подключен к выходу счетчика числа отсчетов, тактовый вход которого объединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя и подключен к первому выходу блока управления, вход делимого блока деления соединен с выходом блока памяти и с входом комбинационного сумматора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, k младших разрядов с выхода счетчика числа отсчетов соединены с первым информационным входом мультиплексора адреса, управляющий вход которого подключен к второму выходу блока управления, блок контроля качества, информационный вход которого соединен с выходом блока деления и с вторым информационным входом блока индикации, первый информационный вход которого соединен с k младшими разрядами с выхода счетчика числа отсчетов, входы тактирования блока контроля качества и блока индикации объединены и соединены с четвертым выходом блока управления, выход блока контроля качества соединен с вторым входом блока управления и четвертым входом блока индикации, вход чтения/записи блока памяти подключен к пятому выходу блока управления, третий выход которого соединен с входом тактирования блока деления.

Указанные дополнительные блоки и связи позволяют осуществить текущий контроль качества и минимизировать время измерения распределения случайного процесса.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, на фиг.2 изображена схема блока управления.

Устройство (см. фиг.1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с вторым информационным входом мультиплексора 2 адреса. Выход мультиплексора 2 адреса соединен с адресным входом блока 3 памяти, выход которого подключен к входу комбинационного сумматора 4, выход которого соединен с информационным входом блока 3 памяти.

Выход счетчика 5 числа отсчетов подключен к входу делителя блока 6 деления, вход делимого которого соединен с выходом блока 3 памяти. Выход блока 6 деления подключен к информационному входу блока 7 контроля качества. Первый выход блока 8 управления соединен с входом запуска АЦП 1 и тактовым входом счетчика 5 числа отсчетов, второй выход блока 8 управления соединен с управляющим входом мультиплексора 2 адреса. Третий выход блока 8 управления соединен с входом тактирования блока 6 деления, четвертый выход блока 8 управления соединен с входами тактирования блока 7 контроля качества и блока 9 индикации, пятый выход блока 8 управления соединен с входом чтения/записи блока 3 памяти. Первый вход блока 8 управления является входом “Пуск” устройства. Выход блока 7 контроля качества соединен с вторым входом блока 8 управления и четвертым входом блока 9 индикации. Младшие k разрядов с выхода счетчика 5 числа отсчетов подключены к первому информационному входу блока 9 индикации и к первому информационному входу мультиплексора 2 адреса. Второй информационный вход блока 9 индикации соединен с выходом блока 6 деления.

Блок 7 контроля качества может быть выполнен на основе однокристальной микроЭВМ. Информационным входом блока является первый порт однокристальной микроЭВМ, вход тактирования блока подключен к входу прерывания микроЭВМ, а выходом служит нулевой бит второго порта микроЭВМ. Программирование и проектирование устройств с использованием микроЭВМ изложено в справочнике: Однокристальные микроЭВМ: Справочник / Боборыкин А.В. и др. - М.: МИКАП, 1994. - 400 с.: ил. Схема включения микро-ЭВМ приведена там же на рисунке 2.12, стр. 143.

Блок 8 управления может быть реализован так, как показано на фиг.2. Он содержит генератор 10 тактовых импульсов, RS-триггер 11, прямой выход которого подключен к второму входу элемента И 12, первый вход которого соединен с выходом генератора 10 тактовых импульсов. Вход установки единичного состояния RS-триггера 11 является входом “Пуск” устройства.

Вход установки нулевого состояния RS-триггера 11 является вторым входом блока 8 управления. Выход элемента И 12 соединен с тактовым входом счетчика 13, выход которого подключен к адресному входу постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 14. Выходы ПЗУ 14 являются выходами 1-5 блока 8 управления.

Реализация блока 9 индикации приведена в патенте РФ №2130199, МПК⁶ G 06 F 17/18, 1999 г. на фиг.3. Блок 9 индикации содержит дешифратор из двоичного кода в унитарный позиционный код, элементы ИЛИ-НЕ, регистры, шифраторы, индикаторы.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии (цепи установки исходного состояния не показаны) во все ячейки блока 3 памяти записаны нули, счетчик 5 числа отсчетов обнулен. На выходах блока 8 управления присутствуют нулевые уровни сигналов. Блок 7 контроля качества подготовлен к считыванию информации.

По сигналу “Пуск” на первом входе блока 8 управления на его первом выходе появляется импульс, по которому запускается АЦП 1 и содержимое счетчика 5 числа отсчетов увеличивается на единицу.

АЦП 1 преобразует реализацию случайного процесса в двоичный код, число разрядов которого k задает число интервалов группирования N измеряемой гистограммы:

Величина младшего значащего разряда АЦП 1 определяет ширину интервала группирования гистограммы. Частота запуска АЦП 1 определяет частоту дискретизации реализации случайного процесса во времени и частотный диапазон анализируемых реализации случайного процесса.

Счетчик 5 числа отсчетов подсчитывает количество отсчетов реализации случайного процесса, использованных для построения гистограммы.

Далее на втором выходе блока 8 управления появляется единичный уровень и мультиплексор 2 адреса пропускает на выход информацию со своего первого информационного входа. Содержимое ячейки блока 3 памяти, адрес которой задается k младшими разрядами счетчика 5 числа отсчетов, поступает на вход делимого блока 6 деления. Затем по импульсу на третьем выходе блока 8 управления в блоке 6 деления вычисляется частость Р_i столбца гистограммы в соответствии с выражением

где m - количество отсчетов реализации случайного процесса, попавших в соответствующий интервал группирования гистограммы, содержимое ячейки блока 3 памяти;

n - общее количество отсчетов реализации случайного процесса, подсчитываемое счетчиком 5 числа отсчетов.

Далее по импульсу на четвертом выходе блока 8 управления значение частости Р_i столбца гистограммы и код этого столбца считываются блоком 9 индикации, блоком 7 контроля качества считывается частость Р_i столбца гистограммы.

Периодически, после завершения цикла считывания значений частости Р_i столбцов гистограммы, то есть после изменения кода k младших разрядов счетчика 5 числа отсчетов от 0 до N-1 или после поступления N тактирующих импульсов на вход блока 7 контроля качества им рассчитывается критерий качества измерения распределения случайного процесса и, если его значение меньше заданного 3-5 циклов считывания гистограммы, выдается сигнал окончания измерения в блоки 8 управления и 9 индикации. Первый цикл считывания значений частости Р_i столбцов гистограммы состоит из N-1 тактирующих импульсов (считываются столбцы с 1 по N-1, так как после первого запуска АЦП 1 счетчик 5 числа отсчетов принимает единичное значение) и он не используется для расчета критерия качества.

Критерием качества измерения распределения случайного процесса может служить, например, среднеквадратичное отклонение σ изменения частости Р_i столбцов гистограммы

где N - число столбцов гистограммы;

ΔР_in=Р_in-P_i(n-i) - разность частостей i-го столбца гистограммы n и (n-1)-гo циклов считывания гистограммы;

P_in - частость i-го столбца гистограммы при n-ом цикле считывания гистограммы;

P_i(n-i) - частость i-го столбца гистограммы при (n-1)-ом цикле считывания гистограммы.

Если среднеквадратичное отклонение σ изменения частости Р_i столбцов гистограммы не превышает наперед заданного значения 3-5 циклов считывания гистограммы, то блоком 7 контроля качества выдается сигнал окончания измерения. По этому сигналу блок 8 управления прекращает работу, блок 9 индикации отображает текущую гистограмму и сигнализирует об окончании измерения.

Одновременно с импульсом на четвертом выходе блока 8 управления на его втором выходе появляется нулевой уровень и мультиплексор 2 адреса пропускает на выход информацию со своего второго информационного входа. Содержимое ячейки блока 3 памяти, адрес которой задается кодом с выхода АЦП 1, поступает в комбинационный сумматор и увеличивается на единицу, затем по импульсу на пятом выходе блока 8 управления новое значение записывается в блок 3 памяти по тому же адресу.

Далее снова появляется импульс на первом выходе блока 8 управления, и описанный процесс повторяется.

Таким образом, в течение измерения распределения случайного процесса контролируется качество построения распределения случайного процесса и, при достижении заданного качества, формируется сигнал окончания измерения. При этом для заданного качества время измерения минимально. Получаемые данные непрерывно отображаются блоком индикации.

При необходимости считывания гистограммы другими вычислительными средствами значения кода и частости столбца гистограммы могут быть получены с информационных входов блока 9 индикации. Сигнал тактирования считывания гистограммы может быть получен с четвертого выхода блока 8 управления.

1. Устройство для измерения распределений случайных процессов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с вторым информационным входом мультиплексора адреса, выход которого соединен с адресным входом блока памяти, выход которого соединен с входом комбинационного сумматора, счетчик числа отсчетов, блок индикации, блок управления, который содержит генератор тактовых импульсов, элемент “И”, выход которого соединен с тактовым входом счетчика, RS-триггер, вход установки единичного состояния которого является первым входом блока управления и входом “Пуск” устройства, первый выход блока управления подключен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что оно содержит блок деления, вход делителя которого подключен к выходу счетчика числа отсчетов, тактовый вход которого объединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя и подключен к первому выходу блока управления, вход делимого блока деления соединен с выходом блока памяти и с входом комбинационного сумматора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, k младших разрядов с выхода счетчика числа отсчетов соединены с первым информационным входом мультиплексора адреса, управляющий вход которого подключен к второму выходу блока управления, блок контроля качества, предназначенный для сравнения значений изменения распределения случайных процессов и формирования сигнала окончания измерения при достижении заданного значения, информационный вход которого соединен с выходом блока деления и с вторым информационным входом блока индикации, первый информационный вход которого соединен с k младшими разрядами с выхода счетчика числа отсчетов, входы тактирования блока контроля качества и блока индикации объединены и соединены с четвертым выходом блока управления, выход блока контроля качества соединен с вторым входом блока управления и четвертым входом блока индикации, вход чтения/записи блока памяти подключен к пятому выходу блока управления, третий выход которого соединен с входом тактирования блока деления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит постоянное запоминающее устройство, к адресному входу которого подключен выход счетчика, выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом элемента “И”, к второму входу которого подключен прямой выход RS-триггера, вход установки нулевого состояния которого является вторым входом блока управления, выходы постоянного запоминающего устройства являются выходами блока управления.